2022年单片机基础知识

第1章单片机基础知识1.1单片机概述1.2微型计算机中数的表示方法及数制间的转换1.3二进制数的运算1.4微机的码制和编码习题与思考题1.1单片机概述1.1.1微处理器、微型计算机和单片机的概念电子计算机高速发展到今天，通常可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。它们在系统结构和基本工作原理方面并无本质的区别，只是在体积、性能和应用领域方面有所不同。1.微处理器MP(MicroProcessor)微处理器就是传统计算机的CPU，是集成在同一块芯片上的具有运算和逻辑控制功能的中央处理器，简称MP，它是构成微型计算机系统的核心部件。2.微型计算机MC(MicroComputer)以微处理器为核心，再配上存储器、I/O接口和中断系统等构成的整体，称为微型计算机。它们可集中装在同一块或数块印刷电路板上，一般不包括外设和软件。3.微型计算机系统MCS(MicroComputerSystem)这是指以微型计算机为核心，配上外围设备、电源和软件等，构成能独立工作的完整计算机系统。4.单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)单片机是将微处理器、存储器、I/O(Input/Output)接口和中断系统集成在同一块芯片上，具有完整功能的微型计算机，这块芯片就是其硬件。1.1.2单片机的发展状况单片机的发展很快，每隔二三年就要更新换代一次，其发展过程大致可分为以下几个阶段。(1)第一代单片机(1974～1976年)：这是单片机发展的起步阶段。(2)第二代单片机(1976～1978年)：这一阶段生产的单片机已是单块芯片，但其性能低、品种少、寻址范围有限、应用范围也不广。(3)第三代单片机(1979～1982年)：这是8位单片机的成熟阶段。(4)第四代单片机(1983年以后)：这一阶段8位单片机向更高性能发展，同时出现了工艺先进、集成度高、内部功能更强和运算速度更快的16位单片机，它允许用户采用面向工业控制的专用语言，如C语言等。1.1.3ATMEL89系列单片机简介ATMEL89系列(以下简称AT89)单片机是美国ATMEL公司生产的8位高性能单片机，其主要技术优势是内部含有可编程Flash存储器，用户可以很方便地进行程序的擦写操作，在嵌入式控制领域中被广泛的应用。AT89系列单片机与工业标准MCS-51系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可替代MCS-51系列单片机使用。AT89系列单片机可分为标准型、低档型和高档型三种类型。表1-1列举出AT89系列单片机的概况。表1-1AT89系列单片机概况型号AT89C51AT89C52AT89C1051AT89C2051AT89S8252档次标准型低档型高档型Flash/KB48128片内RAM/KB12825664128256I/O/条3232151532定时器/个23123中断源/个68369串行接口/个11111M加密/级33223片内振荡器有有有有有EEPROM/KB无无无无无1.2微型计算机中数的表示方法及数制间的转换1.2.1微型计算机中的常用数制微型计算机中常用的数制有三种，即十进制数、二进制数和十六进制数。1．十进制数十进制数是我们最熟悉的一种进位计数制，其主要特点是：(1)它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的基本数码符号构成，基数为10。(2)进位规则是“逢十进一”，一般在数的后面加符号D表示十进制数。所谓基数，在数学中指计数制中所用到的数码的个数。2．二进制数二进制数是计算机内的基本数制，其主要特点是：(1)任何二进制数都只由0和1两个数码组成，其基数是2。(2)进位规则是“逢二进一”。一般在数的后面用符号B表示这个数是二进制数。二进制数同样可以用幂级数形式展开。3．十六进制数十六进制数是微型计算机软件编程时常采用的一种数制，其主要特点是：(1)十六进制数由16个数符构成：0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制数的10、11、12、13、14、15，其基数是16。(2)进位规则是“逢十六进一”。一般在数的后面加一个字母H表示是十六进制数。1.2.2数制间的转换1．二进制数与十六进制数的转换1)二进制数转化成十六进制数采用四位二进制数合成一位十六进制数的方法，以小数点开始分成左侧整数部分和右侧小数部分。2)十六进制数转换成二进制数将十六进制数的每位分别用四位二进制数码表示，然后把它们连在一起即为对应的二进制数。2.二进制数与十进制数间的转换1)二进制数转换成十进制数将二进制数按权展开后相加即得到对应的十进制数。2)十进制数转化成二进制数十进制数的整数部分和小数部分转化成二进制数的方法不同，要将它们分别转换，然后将结果合并到一起即得到对应的二进制数。(1)十进制整数转成二进制整数的常用方法是“除2取余法”，即用2连续去除要转换的十进制数和所得的商，直到商小于2为止，依次记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得到转换后的二进制整数。(2)十进制小数转换成二进制小数的常用方法是“乘2取整法”，即用2连续去乘要转换的十进制小数部分和前次乘积后的小数部分，依次记下每次乘积的整数部分，直到小数部分为0或满足所需要的精度为止，然后按最先得到的整数为二进制小数的最高位，最后得到的为最低位依次排列，就得到转换后的二进制小数。3．十六进制数和十进制数间的转换1)十六进制数转换成十进制数将十六进制数按权展开后相加即得到对应的十进制数。2)十进制数转换成十六进制数与二进制相似，十进制整数和小数要分别转换。(1)十进制整数转换成十六进制整数的方法是“除16取余法”，即用16连续去除要转换的十进制整数和所得的商，直到商小于16为止，依次记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得到所转换的十六进制数。1.3二进制数的运算1.3.1算术运算1.加法运算运算规则为：0+0=0、1+0=0+1=1、1+1=10(向高位有进位)。2.减法运算运算规则为：0-0=0、1-0=1、1-1=0、0-1=1(向高位借1当作2)。3.乘法运算运算规则为：0×0=0、0×1=1×0=0、1×1=1。4.除法运算除法运算是乘法运算的逆运算。与十进制类似，从被除数最高位开始取出与除数相同的位数，减去除数。2)十进制数转换成十六进制数微处理器就是传统计算机的CPU，是集成在同一块芯片上的具有运算和逻辑控制功能的中央处理器，简称MP，它是构成微型计算机系统的核心部件。它们可集中装在同一块或数块印刷电路板上，一般不包括外设和软件。运算规则为：0-0=0、1-0=1、1-1=0、0-1=1(向高位借1当作2)。采用四位二进制数合成一位十六进制数的方法，以小数点开始分成左侧整数部分和右侧小数部分。(1)第一代单片机(1974～1976年)：这是单片机发展的起步阶段。AT89系列单片机与工业标准MCS-51系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可替代MCS-51系列单片机使用。(1)十进制整数转换成十六进制整数的方法是“除16取余法”，即用16连续去除要转换的十进制整数和所得的商，直到商小于16为止，依次记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得到所转换的十六进制数。(2)进位规则是“逢十进一”，一般在数的后面加符号D表示十进制数。逻辑异或又称半加，是不考虑进位的加法，常用运算符号表示。微型计算机系统MCS(MicroComputerSystem)微型计算机MC(MicroComputer)8421码用其中0000B～1001B组合表示0～9十个十进制数。BCD码种类较多，如8421码、2421码、格雷码等，其中最常用的编码为8421码。(2) X=101101B，Y=1010B2.逻辑或运算逻辑或又称为逻辑加，常用符号“∨”表示，其运算规则为：0∨0=0，1∨0=1，0∨1=1，1∨1=1。3.逻辑非运算逻辑非运算又称逻辑取反，常用运算符号“-”表示，运算规则为：=1，=0。4.逻辑异或运算逻辑异或又称半加，是不考虑进位的加法，常用运算符号表示。1.4微机的码制和编码1.4.1原码、反码和补码在微型计算机中，参与算术运算的数基本表示形式是机器数。所谓机器数就是已经数码化的带符号数。在8位微型计算机中约定，最高位D7用来表示符号，而其他7位用于表示数值。如图1-1所示，D7=0表示正数，D7=1表示负数。图1-18位机器数结构1．原码在微型计算机中，原码就是机器数的原始形式。最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，其余位表示数值。一个数的原码标记方法是将该数用方括号括起来，在方括号右下角加一个“原”字来表示。2．反码微型计算机中二进制数的反码有正数反码和负数反码之分，求法也很简单。正数的反码和原码相同；负数反码的符号位与负数原码的符号位相同。3．补码微型计算机中，二进制数补码的概念我们可以先通过钟表对时的例子加以解释。例如，现在的正确时间为下午3点钟，而某块手表却错误地指向早上7点钟，为了校准手表，可采取两种方法，一种是顺时针拨8个小时，另一种是逆时针拨4个小时，两种的结果是相同的。这样可得到两个数学算式：(1)顺拨时是加法运算：7+8=12(自动丢失)+3=3。(2)逆拨时是减法运算：7-4=3。

8位二进制数中，正数和负数的补码求法不同。具体方法如下：(1)正数的补码与正数的原码相同，一般表达式为：[X]补=X(X>0)。(2)负数的补码由它的绝对值求反加1后得到，一般表达式为[X]补=+1。(3) 0的补码只有一种，为[+0]补=[-0]补=00000000B对于8位二进制数，补码表示的范围为-128～+127。1) 8421码编码方法8421码编码原则是每位十进制数用4位二进制数来表示，8、4、2、1代表4位二进制数每一位的权。8421码名称也由此而得。十进制数共有0～9十个数字，而4位二进制数共有16种组合。8421码用其中0000B～1001B组合表示0～9十个十进制数。而1010B～1111B六个编码舍去不用。它们之间的对应关系如表1-2所示。表1-28421码与十进制数的对应关系十进制数BCD码十进制数BCD码00000B70111B10001B81000B20010B91001B30011B1000010000B40100B1100010001B50101B1200010010B60110B1300010011B2) BCD码的运算BCD码用4位二进制数表示0～9十个十进制数，但4位二进制数可表示16种状态。因而有六种状态在BCD编码中为非法码。这样在BCD码的运算中必须进行修正才能得到正确的结果。(1) BCD码加法运算：两个BCD码相加的原则是“逢十进位”，其和也是一个BCD数。(2) BCD码减法运算：BCD码作减法运算时也需要修正。修正的原则是：低4位出现非法码(大于9)或低4位向高4位有借位，则低4位减6修正；高4位出现非法码(大于9)或高4位最高位有借位，则高4位减6修正。2.ASCII码在微型计算机中，除了处理数字信息外，还要处理大量字母和符号信息。这些字母和符号统称为字符，它们也必须用特定规则进行二进制编码，以供微型计算机识别和处理。习题与思考题1.1什么是单片微型计算机？它与微处理器、微型计算机、微型计算机系统有何区别？1.2单片机的发展分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？1.3AT89系列单片机分为几类？各类的主要技术特点是什么？都有哪些型号？1.4微型计算机中常用的数制有几种？计算机内部采用哪种数制？1.5十六进制数能被计算机直接执行吗？为什么要用十六进制数？1.6将下列十进制数转换为二进制数和十六进制数。1.7将下列二进制数转换为十进制数和十六进制数。(1) 10110101(2) 0.101100101.8将下列十六进制数转换为十进制数和二进制数。(1) ABH(2) 28.07H1.9已知下列各组二进制数X、Y，试求X+Y、X